专利名称：一种智能护舷运动姿态监测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种码头防护装置，具体涉及一种对码头防护用的护舷的运动姿态进行监测的装置。
技术背景 随着社会经济的快速发展，港口的运作日益繁忙，这对港口的安全和运行效率提出了更高的要求。港口的一大威胁，是船舶靠岸对于港口结构的冲击。如果能够实时量化监测船舶靠岸时对码头的冲击，就可以对于靠岸事故尽早报警并提供分析数据，并且对于码头防护装置(护舷)的维护提供及早提示，由此可以显著提高港口的安全标准，减少因维护不及时造成的损失；同时为港口设计，船舶设计，航行研究等领域提供此前无法获得的靠岸冲击历史数据。现有的靠泊监控系统，如辅助系统BSM (用于船舶靠岸姿态监测和预警)，缆绳拉力检测系统MLM (用于船舶系缆拉力监测)，港口环境检测系统MEM (靠岸系缆相关的风，流，潮位，气温，危险气体监测)以及远程快脱钩控制系统ACM (用于船舶缆绳脱缆自动化)。这些系统可以从某一方面对船舶的靠泊作业进行监控，但是，一方面，这些系统各自独立工作，增加了检测预警的工作量和工作复杂程度；另一方面，这些系统都是通过对船舶或者周边环境进行监控，而没有直接对码头进行监控。护舷，是码头或船舶边缘使用的一种弹性缓冲装置，主要用以减缓船舶与码头或船舶之间在靠岸或系泊过程中的冲击力，防止或消除船舶、码头受损坏。常见的码头护舷结构由护舷本体、防冲板和多个锚链构成，护舷本体多由橡胶或聚氨酯材料制作，其一端连接码头，另一端连接防冲板。护舷本体结构包括D型、鼓形、圆筒形等，根据受力情况又可分为剪切型、转动型、压缩型等。当船舶靠泊时，与防冲板接触，压迫护舷本体，护舷本体受力压缩变形而吸能，从而减小船舶靠岸时对码头的冲击。由于船舶对于港口的冲击，都是通过码头防护装置，即护舷，进行传递的，如果能够对护舷装置进行监测，获得护舷的运动状态和姿态，就有可能推导出单个护舷上的冲击；再通过数据汇总对于整个港口的护舷进行监测，得出整个泊位所承受的冲击量。另一方面，通过护舷运动和姿态，可以监测靠岸事故的发生并及时发出护舷警报和维修通知。因此，如何对护舷运动姿态进行监测，是本领域急需解决的技术问题。
发明内容本实用新型的发明目的是提供一种可及时准确监测护舷三维姿态，且对于码头设计及日常工作程序不产生干扰的智能监测装置。为达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是一种智能护舷运动姿态监测装置，包括监控端组件和中央控制端组件，所述监控端组件包括传感器单元、控制单元和通信单元，所述中央控制端组件包括通信单元和中央控制计算机，所述传感器单元由安装于待监测的护舷的防冲板上的至少2个传感器构成，所述传感器为至少具有6自由度的惯导器件，各传感器在防冲板内侧分散布置；所述通信单元由无线通信模块构成。上述技术方案中，在监控端，惯导器件的传感信号输入控制单元，控制单元经分析获得护舷的三维姿态和运动状态，由无线通信模块传送至中央控制端的中央控制计算机上，进行集中显示、存储，或根据情况发出报警。根据具体应用场合的情况，监控端的控制单元也可以仅负责信号收集、传递，由中央控制计算机分析护舷的三维姿态和运动状态。一般地，整个码头区域的各个护舷装置上分别设置有监控端，监控端的通信单元与中央控制端的通信单元构成无线网络，使中央控制计算机能够同时收集各护舷的三维姿态和运动状态，进而进行数据统计、处理。上述技术方案中，所述传感器单元内可以设有九自由度惯导器件，设有多个CPU运算兼顾低功耗和高性能，可根据需要切换原始采样模式和滤波采样模式两种工作模式。控制单元内采用扩展Kalman滤波算法，采用“姿态四元数”表示，四阶龙格_库塔(Runge-Kutta)数值积分，并取一阶地球自转近似，以及一种能在船只靠岸时抗干扰的动态磁阻补偿算法。所述无线通信�？槲裱贗EEE802. Ix协议，采用Zigbee或其他490MHz·无线通信方式，将本地数据汇总于中央控制计算机，由中央控制计算机进行集中处理，存储，显示靠岸冲击信息，护舷状态信息，及靠岸事故及护舷维护报警。进一步的技术方案，在控制单元上预留传感器输入及控制输出。可根据需要增加或减少传感器单元，自适应扩展需要以达到更高的监测精度要求。上述技术方案中，所述惯导器件至少由加速度传感器和角速度传感器构成，至少具有上下，左右，前后，航向角，俯仰角，横滚角6个自由度，构成基本测量单元。进一步的技术方案，所述惯导器件中还设有磁阻传感器，并具有地磁角X，地磁角Y，地磁角Z这3个测量自由度，构成9自由度惯导器件。引入地磁信号扩展为9自由度提高复位精度，根据需要，可进一步增加自由度。上述技术方案中，所述监控端组件中，与所述控制单元连接，设有振动传感器。振动传感器的输出可以与控制单元的唤醒电路连接，控制单元可自动根据现场情况，关闭传感器单元以及无线通信�？椋辜嗫囟俗榧τ诘凸淖刺６贝翱堪妒保哟サ交は希鹫穸穸衅魇涑鲂藕呕叫芽刂频ピ愿鞔衅鞯ピ臀尴咄ㄐ拍？楣┑绮僮鳎冀爰嗫刈刺�。上述技术方案中，所述传感器单元、控制单元和通信单元设于防冲板的内部。或者，所述传感器单元、控制单元和通信单元具有外挂壳体，安装在防冲板的内侧面上。本实用新型的工作原理为整个装置可以有内置和外挂两种安装方式，分别满足于新护舷安装，和现有护舷改造，安装于防冲板的预设位置。装置内的传感器单元采用内联结构，不易受到外界恶劣环境干扰，用于采集多点姿态和位移等信息，将该信息汇总于装置的控制单元中进行姿态融合运算，并将结果经由无线发射装置传输到现场设备或控制中心。控制中心则根据接收到各装置发来的姿态位移数据，结合不同的护舷产品的压缩比与吸能反力数据对应表，综合每个护舷的吸能反力情况，计算每套护舷的吸能和反力值，并审核护舷的压缩速度，压缩角度，三轴偏转和位移。若任一护舷运动超过极限设计性能，系统即发出靠岸事故警报及护舷损坏警报。若任一护舷的累计压缩或位移超过极限，系统即发出护舷检修建议。所有数据均被实时记录下来，可备事故分析，或者相关水工研究使用。整个装置有极低的电源消耗，一年甚至更长的维护周期，特殊的快速更换电池箱设计。所有组件均采用整体更换式结构，使得传感器单元发生故障时可整个替换，缩短现场安装，标定，和维护的时间和难度。由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点I.由于本实用新型监控装置可对于护舷运动和姿态实现监测，具有专门为护舷监测设计的特殊定位软件，可直观地显示护舷吸能反力、三维运动速度、偏转角度和位移，适用于港口单个护舷监测及泊位宏观靠岸冲击监测；测量数据受到外界干扰较小，利于真实反映靠泊状态，数据可重复性高。2.本实用新型监控装置采用无线通讯，快速更换式的采用内置电池供电，无电源线或信号线。适合长期监测且维护简便，对于码头现有设计和运作不提出任何要求，也没有任何影响。3.由于采用中央控制计算机对数据进行处理和记录，不但在事故发生后及时发出护舷检修警报，还能根据护舷长期使用情况，对于较为疲劳的护舷提供维护建议，尽量减少事故隐患，提高港口效率。4.本实用新型可置于护舷前部结构防冲板的内部或外挂安装，兼顾现有码头的信息化改造。5.本实用新型结构简单，使用和维护方便，适合推广；可预留多种输入输出接口，具有良好的扩展性能；装置成本达到了现代码头建设的实用化水平。
图I是本实用新型实施例一的安装结构示意图。图2是实施例一的整体系统监控示意图。图3是实施例一的架构功能框图。图4是实施例一的能耗管理休眠唤醒策略框图。图5是实施例一的控制单元的数据处理过程框图。图6是实施例一的中央控制计算机的数据处理过程框图。其中1、传感器；2、电缆导管；3、外置天线；4、监测控制箱；5、扩展电源；6、防冲板；7、护舷本体；8、锚链。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述实施例一一种智能护舷运动姿态监测装置，包括监控端组件和中央控制端组件，所述监控端组件包括传感器单元、控制单元和通信单元，所述中央控制端组件包括通信单元和中央控制计算机。参见附图I所示，护舷本体7的一端与码头连接，另一端经法兰盘与防冲板6连接，防冲板上连接有多个锚链8。控制单元和通信单元设置在监测控制箱4中，与扩展电源5、传感器单元分别安装于护舷防冲板内部，传感器单元根据精度要求设置有二至四个不等的传感器I，各传感器分散布置，分别通过设在电缆导管2中的预埋线缆将信号汇集到所述控制单元处；通信单元采用无线通信�？椋涮煜呶庵锰煜�3。本实施例中，传感器采用九自由度惯导器件。所述控制单元可配快速更换的模块式电池箱，即扩展电源，满足超长时间待机等特殊需要并可在必要时随时更换电池；所述电源为蓄电池或锂电池中的一种。所述控制单元预留了电源接口，未来可以加装其他电源组件，利用太阳能，潮汐能，风能，电热或振动电池自行供电。参见附图2和附图3，可以在每个护舷处加装监控端组件，与中央控制端一起，构成整体监控系统。参见附图4，为节能，设置有振动传感器，在大型船只靠岸时，接触到护舷，引起振 动，唤醒控制单元，对传感器单元进行供电操作。参见附图5和附图6，各传感器取得电源后打开，将高速采集的九自由度信息滤波采集后，传输至控制单元作本地化运算。该控制单元综合所有传感器数据，计算出防冲板三维姿态以及运动状态后，实时将数据无线发射至中央控制端。一旦监测到护舷姿态有异常，中央控制计算机将及时发布靠岸事故及护舷损坏报警，报警可以经由电脑屏幕，电邮，短消息，大屏幕显示屏，声光报警器等发布。待船只靠岸结束进入系泊阶段，传感器单元陆续转为低功耗模式，根据可调的条件，采集关键风浪振动数据并保存于控制单元中，每小时集中将数据无线传输到中央控制计算机。中央控制计算机综合护舷产品型号以及性能，累计护舷疲劳数据，根据可调的预设条件，发出护舷维护建议。在船只离岸后，控制单元将切断传感器的供电信号，并将自身转为低功耗模式，进一步提高对现场电池组件的利用率。本实施例可提供多泊位船舶靠岸冲击宏观即时监测，即时警告靠岸事故并提供定性依据；提供自动护舷维护建议，减少维护不当造成的停工损失，通过提高港口安全维护标准，保障港口效率；同时以较低成本和极少维护，精确可靠地提供即时全泊位的详细护舷系统状态(吸能，反力，三维速度位移角度等)，数据精确到单体护舷和单套护舷系统；能够为长期码头结构设计分析，船舶设计分析，航行行为分析等学术领域提供靠岸冲击历史数据库。采用无线传输，电池供电，码头前沿除了少数无线接收装置，无需安装任何设备；对于现有码头操作没有任何影响；维护工作可基本忽略不计。适用于所有具有前部结构(如防冲板或管桩)的主流护舷系统之上，有全新安装和现有系统改装两种方案。本实用新型所属的船舶靠岸冲击监测系统BIM，填补了现有港口靠泊监控技术的空白，与现有的靠泊智能系统，如辅助系统BSM (用于船舶靠岸姿态监测和预警)，缆绳拉力检测系统MLM (用于船舶系缆拉力监测)，港口环境检测系统MEM (靠岸系缆相关的风，流，潮位，气温，危险气体监测)以及远程快脱钩控制系统ACM (用于船舶缆绳脱缆自动化)，可在统一的MMCS平台下无缝集成，以提供港口靠泊安全一揽子解决方案。
权利要求1.一种智能护舷运动姿态监测装置，包括监控端组件和中央控制端组件，所述监控端组件包括传感器单元、控制单元和第一通信单元，所述中央控制端组件包括第二通信单元和中央控制计算机，其特征在于所述传感器单元由安装于待监测的护舷的防冲板上的至少2个传感器构成，所述传感器为至少具有6自由度的惯导器件，各传感器在防冲板内侧分散布置；所述第一通信单元和第二通信单元由无线通信�？楣钩�。
2.根据权利要求I所述的智能护舷运动姿态监测装置，其特征在于所述惯导器件至少由加速度传感器和角速度传感器构成，至少具有上下，左右，前后，航向角，俯仰角，横滚角6个自由度，构成基本测量单元。
3.根据权利要求2所述的智能护舷运动姿态监测装置，其特征在于所述惯导器件中还设有磁阻传感器，并具有地磁角X，地磁角Y，地磁角Z这3个测量自由度，构成9自由度惯导器件。
4.根据权利要求I所述的智能护舷运动姿态监测装置，其特征在于所述监控端组件中，还设有振动传感器并与所述控制单元连接。
5.根据权利要求I所述的智能护舷运动姿态监测装置，其特征在于所述传感器单元、控制单元和第一通信单元设于防冲板的内部。
6.根据权利要求I所述的智能护舷运动姿态监测装置，其特征在于所述传感器单元、控制单元和第一通信单元具有外挂壳体，安装在防冲板的内侧面上。
专利摘要本实用新型公开了一种智能护舷运动姿态监测装置，包括监控端组件和中央控制端组件，所述监控端组件包括传感器单元、控制单元和通信单元，所述中央控制端组件包括通信单元和中央控制计算机，其特征在于所述传感器单元由安装于待监测的护舷的防冲板上的至少2个传感器构成，所述传感器为至少具有6自由度的惯导器件，各传感器在防冲板内侧分散布置；所述通信单元由无线通信模块构成。本实用新型适用于港口单个护舷监测及泊位宏观靠岸冲击监测；测量数据受到外界干扰较小，利于真实反映靠泊状态，数据可重复性高。
文档编号G01C21/16GK202795770SQ20122019492
公开日2013年3月13日 申请日期2012年5月3日 优先权日2012年5月3日
发明者邱翔, 虞伟, 汤国平, 夏为民 申请人:智达工程技术(苏州)有限公司
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